Введение к работе
Актуальность работы.
В докладе Международного энергетического Агентства, определившего стратегию развития энергетики на период до 2050 года, наиболее амбициозные направления представлены в инновационном Сценарии ускоренного развития (Accelerated Technology scenarios, ACT), согласно которому приоритетами являются энергосбережение - 45% (в том числе, когенерация - совместная выработка электроэнергии и теплоты - 34%), а в части сокращения выбросов С02 - процессы улавливания и захоронения диоксида углерода (Carbon Capture and Storage, CCS) -12%.
Доминирующее положение по выбросам диоксида углерода занимают отрасли промышленности, использующие ископаемое топливо, в частности, отрасли топливно-энергетического комплекса (ТЭК), химии, нефтехимии, металлургии, коксохимии и ряда других.
Суммарные мировые выбросы дымовых газов, содержащих диоксид углерода, ежегодно оцениваются в 325 млрд. т, а их тепловой потенциал (тепловое загрязнение окружающей среды) - 65 млн. ТВт в год (1ТВт=10 Вт), что сопоставимо с энергией термальных вод Земли (ок. 50 млн. ТВт/год).
Таким образом, актуальными являются следующие направления:
глубокая утилизация остаточной теплоты дымовых газов;
когенерация - совместная выработка двух полезных продуктов;
глубокое улавливание диоксида углерода из дымовых газов;
предотвращение теплового загрязнения окружающей среды.
В работе поставлена и решена комплексная задача: разработка способа глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов с одновременной выработкой электроэнергии и холода при полной ликвидации теплового загрязнения окружающей среды. Совмещение частных задач требует совмещения различных способов рекуперации теплоты с одной стороны и улавливания диоксида углерода - с другой в рамках интегрированной химико-технологической системы (ХТС), что, в свою очередь, настоятельно требует разработки нового подхода к оптимальной дифференциации (разделении) функций сложной ХТС между ее элементами.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России за 2007-2012 годы», в частности, «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований в области разработки высокоэффективных экологически чистых энергоблоков нового поколения» (шифр «2011-1.6-516-023»).
Цель работы - разработка информационно-термодинамического принципа организации ХТС и его применение для создания энергосберегающего способа глубокого улавливания диоксида углерода из очищенных дымовых газов.
При этом в работе решались следующие задачи: 1. Разработка информационно-термодинамического принципа построения
высокоорганизованных ХТС путем дифференциации их функций как между
элементами, так и между потоками многоцелевых элементов.
Разработка в рамках принципа критериев пошагового усложнения ХТС.
Разработка методов разделения затрат на организацию многопоточных процессов ХТС.
Анализ способов глубокой рекуперации энергии остаточной теплоты очищенных дымовых газов на основе цикла Ренкина, и глубокого улавливания из них диоксида углерода, совмещаемых с циклом Ренкина.
Выбор оптимальной структуры и оптимального низкокипящего рабочего тела (НРТ) в цикле Ренкина, а также оптимальных параметров холодильного цикла, совмещаемого с циклом Ренкина.
Экспериментальная проверка полученных результатов при выборе рабочего тела на основе режимных испытаний теплового двигателя на воздухе.
Разработка способа тригенерации: получение электроэнергии, холода и диоксида углерода на основе совмещения цикла Ренкина и холодильного цикла. Научная новизна:
Разработан информационно-термодинамический принцип организации ХТС на основе оптимальной дифференциации ее функций, позволяющий направленно осуществлять синтез организованных ХТС.
В рамках информационно-термодинамического принципа представлены:
решение общей задачи повышения организованности ХТС при дифференциации ее функций, которое описывается энтропией информации Шеннона, выраженной через статистический вес информационной системы;
условие организованности многоцелевого процесса, заключающееся в равенстве факторов затрат на организацию процесса по потокам продуктов;
критерии организованности ХТС при ее пошаговом усложнении, имеющие смысл стоимости единицы информации промежуточных потоков или потоков продукта;
новые методы распределения затрат на организацию процессов:
«уравнительный», который исходит из постулата равенства стоимостей единицы информации потоков продуктов; «выделения», при котором фактор затрат на организацию процесса полностью переноситься на выделяемый по постулатам целевой поток продукта;
доказательство надежной корреляции предложенных методов распределения затрат с нулевым началом термодинамики, определяющим оптимальное энергосберегающее решение при взаимодействии подсистем в ХТС;
методика расчета составляющих критериев пошагового усложнения ХТС.
3. С использованием полученных критериев разработано алгоритмическое и
программное обеспечение для выбора оптимального рабочего тела в цикле
Ренкина.
4. Разработан не имеющий аналогов способ получения электроэнергии, холода и диоксида углерода из дымовых газов, в котором достигнут синергетический эффект тригенерации.
Практическая значимость:
Разработан новый энергосберегающий блок глубокого улавливания диоксида углерода из дымовых газов мощность 40 МВт для объектов электроэнергетики, металлургии, химии, нефтехимии, коксохимии и других на основе совмещения цикла Ренкина и холодильного цикла.
Проведены режимные испытания экспериментального образца теплового двигателя на воздухе и на основе оценки его эксергетического к. п.д. установлена надежная корреляция с результатами выбора оптимального НРТ в цикле Ренкина.
Разработана методика технической реализации способа тригенерации, включающая элементную и топологическую его структуры и режимные параметры работы элементов системы.
Проведена оценка предотвращенного ущерба от выбросов диоксида углерода для энергоблока заданной мощности на основе текущих биржевых цен на Мировом углеродном рынке, которая составит более 1 млн. Евро в год и дана оценка эксергетического к.п.д. способа тригенерации, которая указывает на достижение синергетического эффекта в интегрированной ХТС.
Программный комплекс в составе: текст программы, описание программы, описание применения, руководство системного программиста, руководство оператора, выполненный в соответствии с требованиями стандарта (ГОСТ 19.401-78) принят Департаментом приоритетных направлений науки и технологий Минобрнауки России.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Московской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Московский салон информационных технологий, системотехники и робототехники» Департамента образования Правительства Москвы (г. Москва, 2010 год) (Успехи в химии и химической технологии) и на XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-24 (г. Киев, 2011 год). Публикации.
Результаты диссертационной работы отражены в 4 публикациях и заявке на патент РФ, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертации. Структура и объем диссертации.
